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TPICOS DE INSTRUMENTACIN Y CONTROL

Captulo 12

SISTEMA DE FABRICACION FLEXIBLE

El objetivo de este captulo es dar a conocer el significado, aplicaciones y estudios avanzados de sistemas de fabricacin flexibles.

Con una competicin tan rgida y global la Voz del Cliente ha estado demandando diversificar el incremento en las ofertas de los productos, junto con una frecuente actualizacin de los mismos. Todo este giro est influenciando en la fabricacin por medio de la inversin en ms equipos flexibles para nuevos programas de aplicacin. Una pieza de equipo flexible ser definida como aquella capaz de procesar de manera mltiple las tareas asignadas en un amplio rango de productos.

Una oportunidad provista por la flexibilidad en la fabricacin provee, es la posibilidad de explorar varias secuencias de procesamiento disponibles a travs de configuraciones alternadas del sistema idealmente, la configuracin debe rendir una mxima cantidad de partes, con la mejor calidad y al mnimo costo y una gran capacidad de respuesta a cambios en el producto.

Los siguientes parmetros pueden medir un procesamiento ptimo:

Cantidad:.total producido (piezas / hora), niveles de inventario, tiempo ptimo.

Calidad: ppm (partes por milln) sin conformar (es decir sin satisfacer las especificaciones

requeridas), rajaduras / abolladuras debidas al manipuleo o tratado del material.

Costo: costo invertido (en mquinas, en trato de material), costo operacional en

operadores, mantenimiento, trabajos repetitivos, inicializacin de aparatos.

No siempre es posible obtener simultneamente los tres fines (de mxima cantidad, mejor calidad y menor costo) para cada configuracin especfica del sistema, el modelo ayudara al fabricante en determinar la configuracin del sistema ptimo para la fabricacin, cuyo objetivo podra ser:

Maximizar Cantidad para valores dados de Costo y Calidad.

Minimizar Costo para valores dados de Calidad y Cantidad.

Un ejemplo simple es la fabricacin de un sistema con 20 mquinas flexibles. El beneficio en este caso sera evaluar la alternacin de configuraciones de sistemas, los cuales pueden incluir:

1. Sistemas Seriales: una lnea de transferencia (todas las 20 mquinas haciendo slo una parte de la tarea asignada al proceso).

2.Sistemas Paralelos: 20 lneas de transferencia paralelas cada una con una mquina (cada mquina procesa la tarea entera).

3.Sistemas Hbridos: 2 lneas de transferencia paralelas con 10 mquinas cada una. Una lnea serial de 10 mquinas seguidas de dos lneas paralelas con 5 mquinas cada una.

La investigacin requiere: identificar todas las variables perturbadoras del sistema para cada una de las tres medidas de performance: Cantidad, Calidad y Costo, entendiendo y desarrollando las relaciones entre esos grupos de variables, construyendo el modelo de organizacin como los mximos alcances de la comercializacin a ser cumplidas. Estos alcances de la comercializacin pueden ser importantes al momento de la conceptualizacin y el diseo de los sistemas de fabricacin; el sistema ser reconfigurado segn el material a elaborar para ejecuciones diarias o semanales.

El modelo puede ser generalizado para evaluar los conceptos del sistema de fabricacin, alternado con una mezcla de flexibilidad y propsito especial en las mquinas.

12.1 DEFINICIONES DE SISTEMA DE FABRICACIN FLEXIBLE (FMS)

Existen diversas definiciones de (FMS) detalladas a continuacin:

FMS es un enfoque a la produccin en serie, controlada por una computadora recogiendo todos los aspectos de CAM en un nico sistema. El principio se basa en el enfoque para proporcionar la suficiente flexibilidad de producir componentes capaces de ser introducidos en el sistema sobre una base completamente aleatoria.

Es un proceso bajo el control automtico capaz de producir una variedad de productos dentro de una gama determinada.

El FMS ayuda a optimizar la fabricacin con mejores tiempos de respuesta, menor costo unitario y ms alta calidad mediante mejores sistemas de control y gestin.

Es un sistema de fabricacin formado por mquinas e instalaciones tcnicas enlazadas entre s por un sistema comn de transporte y control, posibilitando realizar dentro de un margen determinado diversas tareas correspondientes a piezas diferentes sin necesidad de interrumpir el proceso de fabricacin para el reequipamiento del conjunto.

La fabricacin flexible es la herramienta de produccin ms potente hoy da a disposicin de una empresa para mejorar su posicin competitiva en el entorno industrial actual.

En la prctica, dentro de una instalacin de fabricacin flexible encontramos:

Equipos de produccin automticos con cambio de piezas y herramientas permitindoles trabajar rpidamente, sin necesidad de operarios a pie de mquina, durante largos perodos de tiempo.

Sistemas de alimentacin y transporte automticos, tanto para piezas como herramientas, entre mquinas y entre stas y los almacenes.

Entrada al azar de distintas piezas dentro de una variedad ms o menos amplia predeterminada, con sistemas de identificacin de las mismas y, en correspondencia, una seleccin de los procesos de fabricacin adecuados.

Un sistema de monitoreo y control informatizado para la coordinacin de todo el proceso.

Un sistema de gestin de materiales, mquinas, herramientas, dentro de las filosofas de "Just In Time", Kanban, Stock-Cero, mantenimiento preventivo, etc.

La fabricacin flexible engloba una gran variedad de conceptos y recoge todas las funciones propias de un taller. Es realmente un "sistema de fabricacin" especialmente para mejorar la productividad de un taller conservando su universalidad.

Figura 12.1.- Sistema de Fabricacin Flexible

12.2 CONFIGURACIN DE LOS SISTEMAS DE FABRICACIN FLEXIBLE

El taller flexible tiene por objeto dotar de medios de produccin automticos permitiendo una productividad elevada, como si se tratara de una gran serie, pero a la vez sea fcilmente adaptable a los cambios en las caractersticas del producto y en los programas de fabricacin. Para ello se proyectan e instalan grandes equipos especialmente diseados para un cliente o una aplicacin en particular. Varias mquinas CNC y estaciones de inspeccin automtica unidas por un sistema automatizado de mantenimiento y transporte, coordinado todo por un sistema informtico dedicado, constituyen las lneas de fabricacin flexible.

Afortunadamente, la tecnologa de fabricacin flexible ha evolucionado hacia un concepto de modularidad a partir de las clulas flexibles, permitiendo a todas las empresas, incluso a las ms pequeas, iniciarse en esta tecnologa mediante la instalacin de una sola clula. Ello les permite formarse tanto en las nuevas tcnicas de mecanizacin como de automatizacin, en el control informatizado de todo el proceso y en virtud de los planes de expansin o renovacin de los talleres segn la experiencia adquirida, integrar ms clulas, conectndolas entre s y formando lneas flexibles hasta llegar a la aplicacin del sistema a la totalidad del taller.

As pues, en un sistema de fabricacin flexible pueden considerarse tres niveles de aplicacin:

12.2.1 La Clula Flexible

Est formada por unas pocas mquinas, en ocasiones slo una, dotadas de control numrico con dispositivos de cambio de herramientas y piezas, con almacenes para garantizar su autonoma durante varias horas, y una computadora coordinando los elementos de mecanizado, alimentacin y transporte entre las mquinas. Son capaces de mecanizar totalmente una cierta categora de piezas, incluyendo fases de control de calidad. Todas las mquinas trabajan con piezas de la misma referencia.

12.2.2 Las Lneas Flexibles

Varias mquinas de control numrico o clulas flexibles se relacionan entre s mediante un sistema de transporte de piezas e identificacin de las mismas. En general disponen en lnea de almacenes y herramientas automatizadas. Permiten la entrada al azar de gran diversidad de piezas y el programa de gestin de lnea las asigna a la mquina ms adecuada. La computadora encargada de coordinar la lnea realiza tambin funciones de planificacin y programacin de la produccin.

12.2.3 El Taller Flexible

Tiene todas las funciones de fabricacin incorporadas e integradas dentro de la filosofa de fabricacin flexible. Los sistemas de recepcin, inspeccin, almacenaje, transporte, mecanizacin, verificacin, montaje y distribucin, centralizadas o distribuidas segn proceda, estn totalmente automatizados y coordinados por una computadora central y a travs de las computadoras perifricas de cada funcin o taller. As como las clulas y las lneas flexibles estn dimensionadas, en general, para tratar una familia ms o menos amplia de piezas, un taller flexible puede producir cualquier tipo de pieza. La sofisticacin del sistema, especialmente en lo referente al software necesario, en programas de computadora, en racionalizacin y estandarizacin de producto y medios de fabricacin, en sistemas de control y de gestin, hace al taller flexible encontrarse al alcance de empresas lderes en renovacin tecnolgica.

12.3CARACTERSTICAS GENERALES DE LOS SISTEMAS DE FABRICACIN FLEXIBLE

12.3.1 Flexibilidad

Posibilidad de mecanizar varias piezas de distinta forma, dimensiones y material.

Entrada de piezas al azar.

Almacenamiento de muchos programas de trabajo.

Flexibilidad de software de control y gestin para introducir cambios y nuevos mdulos.

12.3.2 Automatizacin

Del proceso de mecanizado.

Del cambio de herramientas.

Del cambio de piezas.

Del transporte entre mquinas.

De la limpieza de las piezas.

De la evacuacin de virutas.

De la comprobacin de cotas y correccin de la herramienta.

De la identificacin de piezas y procesos correspondientes.

12.3.3 Productividad

Funcionamiento sin operarios al menos durante un turno de trabajo.

Rapidez en los cambios de herramienta y pieza.

Tiempos de comprobacin cortos.

Optimizacin de las condiciones del mecanizado.

12.3.4 Calidad del Producto:

Inspeccin de piezas incluida en las fases de mecanizado.

Autocorreccin de desviaciones.

Estabilidad trmica.

Rigidez de las mquinas.

Precisin de las guas, actuadores y sensores.

Control de desgaste de herramientas y utilajes de fijacin.

12.3.5 Fiabilidad del Proceso:

Control del desgaste de tiles y herramientas.

Control de las condiciones de corte.

Control de desviaciones y correccin automtica.

Mantenimiento preventivo.

Estas especificaciones determinan un equipo con las siguientes caractersticas generales:

Capacidad de modificar rpidamente los programas de fabricacin, tanto en cantidad como en tipo de piezas.

Capacidad de absorber los cambios de diseo y especificacin de las piezas.

Capacidad de trabajo desatendido en largos perodos de tiempo. Mano de obra cero.

Capacidad de garantizar una calidad de cien por cien. Defectos cero.

Capacidad de trabajo sin stocks intermedios.

Poltica de stock cero.

Posibilidad de utilizacin de los equipos al 100%. Paro cero.

Mantenimiento preventivo. Averas cero.

Capacidad de entrega inmediata de los pedidos. Plazo cero.

Figura 12.2.- Sistema de fabricacin flexibles para fabricacin de automviles

(Cortesa ASCAD)

12.4 COMPONENTES DE UN FMS

Un sistema de fabricacin flexible se pueden desglosar en los siguientes subsistemas:

12.4.1 Materiales

En materiales se incluyen las piezas a fabricar, las herramientas y los utilajes de fijacin en mquina. Todos ellos precisan de un estudio profundo de simplificacin y estandarizacin antes de la instalacin de un sistema flexible.

El diseo de piezas debe revisarse para facilitar su mecanizacin, eliminacin de variantes innecesarias, reducir excesos de material a mecanizar y simplificar los montajes, el nmero de herramientas a utilizar debe reducirse, estandarizando agujeros, radios de enlaces. Se utilizarn sistemas de herramientas normalizadas, de acoplamiento rpido para reducir los tiempos de cambio de herramienta.

Los trabajos de estandarizacin y codificacin de estos materiales se enfocan en general mediante los mtodos de la Tecnologa de Grupos, permitiendo tambin su agrupacin en familias adecuadas a las caractersticas de los equipos disponibles.

12.4.2 Produccin

En produccin se engloban las mquinas herramienta de mecanizado, los puestos de montaje, de medicin e inspeccin.

Otra tendencia general es englobar el mximo de funciones elementales de mecanizado en una sola mquina para evitar cambios y transporte de piezas entre mquinas, diseando centros de mecanizado y torneado y mquinas especiales cada vez ms universales.

La incorporacin en la misma mquina de sensores para la medicin de cotas, esfuerzos, temperatura, etc., permite efectuar procesos de correccin y optimizacin del mecanizado, as como asegurar la bondad al 100% de los puntos controlados.

La utilizacin en los puestos de inspeccin de mquinas de medicin de coordenadas y procesos de inspeccin visual, permite automatizar tambin la verificacin final de las piezas y modificar las condiciones de mecanizado en funcin de los resultados detectados.

12.4.3 Alimentacin y Transporte

En alimentacin y transporte se engloban los cambiadores automticos de piezas y herramientas, los almacenes de las mismas, y el transporte de piezas entre mquinas o entre las zonas de carga y descarga y el almacn central. Se incluyen tambin los sistemas de eliminacin de virutas.

Segn la complejidad del sistema estos elementos pueden ser controlados desde el mismo control numrico de la mquina herramienta o bien disponer de su propio control numrico con el de la mquina a travs del microprocesador central.

12.4.4 Control

El subsistema de control tiene a su cargo todas las funciones de alimentacin, gobierno y coordinacin de las variables del sistema. Su estructura, dependiendo de la complejidad del sistema, puede constar de varios niveles, desde los sensores y actuadores a nivel mquina hasta la computadora central de la empresa, pasando por todos los niveles intermedios necesarios.

Acta sobre el sistema a travs de los controles numricos, manipuladores, robots y autmatas programables incorporados.

12.4.5 Gestin

El subsistema de gestin incluye todo el software necesario para garantizar el funcionamiento del sistema. Programas de mecanizado para cada pieza, programas de movimientos de los manipuladores y elementos de transporte:

Gestin de herramientas, clculo de vida y procedimientos de reparacin.

Gestin de materiales, clculo de stocks en lnea, rdenes de trabajo y control del flujo de materiales.

Gestin de recursos, carga de mquinas, planificacin del trabajo y distribucin.

Gestin del mantenimiento preventivo tanto de mquinas como de utillajes.

Estudios de simulacin de planes de fabricacin con deteccin de colas, saturacin de mquinas y almacenes, sincronizacin de operaciones, etc.

Generacin de estadsticas e informes y transmisin de datos a las computadoras generales de gestin empresarial.

12.4.6 Mano de Obra

Si bien la fabricacin flexible es un sistema altamente automatizado, requiere de recursos humanos para su operacin.

Las mquinas operan automticamente a travs de CNC y no precisan, por tanto, de mano de obra, excepto en algunos casos y operaciones especiales imposibles de automatizar de una forma rentable.

Pero se precisa del hombre para dirigir, vigilar, mantener y, segn los casos, alimentar el sistema.

Las funciones a desarrollar por el hombre son, en general:

La direccin del equipo, es decir, planificacin de la produccin, resolucin de las desviaciones y anomalas respecto al funcionamiento previsto y mando del equipo humano de soporte del sistema.

Mantenimiento de la instalacin en todos sus elementos, mecnicos, elctricos, electrnicos, hidrulicos, neumticos e informticos.

Preparacin de herramientas, su afilado y reposicin.

Preparacin de utillajes para la puesta a punto y mantenimiento, tanto de los utillajes de mecanizacin como de transporte.

Carga y descarga de piezas para la lnea con su montaje en los utillajes de fijacin si se precisan.

12.5 NECESIDAD DEL FMS

Los sistemas de produccin tradicionales son inevitablemente ineficientes a causa de su incapacidad para adaptarse a variaciones de productos, componentes y tamaos de series sobre la base de una economa de tiempo.

Dos enfoques tradicionales muy comunes son:

12.5.1 Distribucin de Productos

Las mquinas se disponen en lneas de produccin, dedicndose por completo cada una de ellas a un nico producto. Cada nuevo producto necesita una lnea de produccin completamente nueva, mientras una simple modificacin de diseo puede causar amplios cambios de maquinaria y de su distribucin. La inflexibilidad del sistema resulta tambin clara en:

a) La incapacidad para transferir componentes de una lnea a otra. Por ello, las fluctuaciones en rdenes de pedido producirn colas durante perodos de alta demanda y paralizacin de mquinas en perodos de baja demanda.

b) El Papel esencial de cada mquina en las progresivas series de operaciones a lo largo de su lnea. Por ello, la rotura de una mquina no solamente deja una lnea completamente inoperativa, sino ocasiona el paso de la fabricacin de un producto completo.

12.5.2 Distribucin de Procesos

Las mquinas se clasifican y distribuyen en secciones segn su funcin. As, cada componente se enva a una diferente seccin para realizar las distintas etapas de su fabricacin, por ejemplo taladrado, torneado, fresado, soldado. Se requiere frecuentemente una compleja planificacin de la ruta para maximizar la utilizacin de las mquinas y minimizar las colas de espera. La principal ineficacia de este enfoque resulta del consumo de tiempo producido por el excesivo transporte y manejo de los componentes. La inflexibilidad del sistema prohibe la variacin de procesos locales debido a la incapacidad de una seccin para "cambiar de tarea".

Seccin

Taladrado

Seccin

Componente

Soldado

Seccin

Componente

Proceso

Distribucin de

Figura 12.4

Producto

Distribucin de

Figura 12.3.-

Producto 3

Producto 2

Producto 1

Torneado

Seccin

Fresado

Produccin 2

Lnea de

Produccin 1

Lnea de

Produccin 3

Lnea de

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